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模擬基礎知識：SAR 模數轉換器

發布時間：2021-04-09 責任編輯：lina

【導讀】現在仍然是一個模擬世界，因此要讓感知的信息進入數字領域，需要進行某種轉換。這一重任就由模數轉換器 (ADC) 來完成。多年來，成功崛起的三種 ADC 拓撲結構是逐次逼近寄存器 (SAR)、三角積分 (S-D) 和流水線 ADC。這三種 ADC 拓撲結構截然不同，以便在不同的頻率範圍內工作，服務於從低頻傳感器應用到更高頻率的 LiDAR 或衛星通信等所有領域。

現在仍然是一個模擬世界，因此要讓感知的信息進入數字領域，需要進行某種轉換。這一重任就由模數轉換器 (ADC) 來完成。多年來，成功崛起的三種 ADC 拓撲結構是逐次逼近寄存器 (SAR)、三角積分 (S-D) 和流水線 ADC。這三種 ADC 拓撲結構截然不同，以便在不同的頻率範圍內工作，服務於從低頻傳感器應用到更高頻率的 LiDAR 或衛星通信等所有領域。

SAR ADC 是第一種成為主流的轉換器。隨著時間的推移，這種轉換器拓撲結構出現在各種應用中，包括過程控製、醫療和早期數字音頻係統。這些應用受益於 SAR ADC 的 8 位至 20 位輸出轉換範圍。但是，SAR ADC 賴以成名的原因是它會捕獲模擬輸入信號的快照，並使用多個信號快照來繪製一段時間內的圖像。

本文將簡要介紹與 SAR ADC 密切相關的信號鏈。接下來，通過分析負責 ADC 快照操作的基本輸入級，深入研究該 ADC 拓撲結構。然後，本文將介紹 SAR ADC 示例解決方案——Analog Devices 的 AD7625BCPZ 和 AD4020BCPZ-RL7，著重討論 ADC4020BCPZ-RL7 的內部模數轉換機製。另外，還提供了合適數據采集係統的關鍵規格。

SAR ADC 的模擬信號鏈

SAR ADC 常用於自動測試設備、機器自動化、醫療設備和精密數據采集等係統中。在所有 SAR ADC 應用中，都存在一個需要適度 8 至 20 位分辨率數字表示的模擬信號，並且采樣速率從接近 DC 到每秒 15 兆 (MSPS)（在撰寫本文時）。

SAR ADC 能力強大，無需模擬前端 (AFE) 信號鏈即可工作。但是，如果設計人員的工作還包括在 SAR ADC 的前端成功呈現信號，則很有可能需要一定程度的信號調節（圖 1）。

模擬基礎知識：SAR 模數轉換器

（高通供圖，下同）

在圖中，X 射線源經行李箱將信號發送到 x 射線探測器。X 射線設備的工作是在短時間內構建行李箱的完整圖像，以減少旅客的不滿。

前端獲取探測器信號並執行信號調節功能，例如模擬增益和電平位移。然後信號被提供給 SAR ADC，在本例中為 Analog Devices 的 AD7625BCPZ。

SAR ADC 之前的放大器提供適當的穩定功能，在放大器與 SAR ADC 之間通常有一個一階低通濾波器。該 SAR ADC 能夠以高達 6 MSPS 的速度采樣（每 167 納秒 [ns] 采樣一次），可以在短時間內獲得多個快照。

SAR ADC 輸入級的核心已簡化

隨著時間的推移，SAR ADC 經曆了許多增強和改進，但在所有情況下，轉換期間的主要活動都是電荷再分配，這是逐次逼近 ADC 最常見的實現形式之一。此外，與 S-D 和流水線轉換器不同，SAR ADC 還具有零延遲優勢。

在最簡單的層麵上，很容易看到信號快照發生的位置。SAR ADC 輸入核心包含輸入信號采集開關 (S1)、電容陣列、轉換開關 (SC) 和內部基準電壓 (½ VREF)（圖 2）。

模擬基礎知識：SAR 模數轉換器

SAR ADC 核心的工作方式如下：

S1 打開，SC 關閉：斷開輸入級與模擬信號源的連接。

C 上的電荷通過 ½ VREF 重新校準。這種重新校準使 SAR ADC 清零。

然後，S1 關閉，SC 打開：現在，該設備已連接到輸入模擬信號。

SAR ADC 在預定的采集時間內采集輸入信號 VS。此采集時間可產生 S1 和 SC 開關噪聲，以及放大器突然暴露於電容加載和開關噪聲。

然後，S1 打開：這是發生信號快照的確切實例。

SAR ADC 將 VC 處的信號轉換為數字表示。執行此操作花費的時間就是“轉換時間”。

SAR ADC 輸入級的核心詳細信息

轉換核心可對在 VC chusuocaijixinhaojinxingdianhezaifenpei。zhuanhuanqidianhezaifenpeidexietiaofashengzaihexinzhong，youshizhongjinxingmenkong。tongguociguocheng，meigeshizhongkongzhideshuzishuchudaimahuidaoda SAR ADC 的 DOUT 輸出（圖 3）。

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在轉換過程中，SAR ADC 算法首先會確定最高有效位 (MSB)。SAR ADC 通過在 V- 和 VREF 比較器輸入之間切換 16C 電容器的底部，開始測試與 ½ VREF 相比的信號幅度。在 SAR ADC 轉換線中，下一個比較是針對 ½ VREF 測試 8C（未顯示），然後是 4C 測試，等等。

SAR ADC 輸出轉換詳細信息

MSB 決策會立即通過 DOUT 引腳發送，而在進行 MSB 1 決策時，MSB 開關會保持凍結狀態。SAR ADC 會一直執行此算法，直到最終選擇最低有效位 (LSB)（圖 4）。

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在圖 4 中，SAR ADC 時鍾控製的位決策順序是從 MSB 一直到 LSB。所有轉換數據在時鍾控製下繼續通過圖 3 右上角的 DOUT 立即輸出。完整的吞吐時間通常需要足夠的時間來采集信號，並且每個位需要一個時鍾周期。

SAR ADC 轉換挑戰

設計人員必須了解信號的建立時間量，以確保從轉換中捕獲正確的模擬值（圖 5）。

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在圖 5 中，輸入信號 VC 在轉換器輸入開關打開之前未達到最終所需電壓。出現這種情況是因為電路設計人員錯誤地計算了放大器輸入信號的建立時間。

AD4020BCPZ-RL7 20 位 1.8 MSPS SAR ADC 通過延長采集相位的同時仍保持吞吐率，降低了信號采集的複雜性。它具有 100.5 dB 的低信噪比 (SNR)。

SAR AD 傳遞函數

ADC 的可能代碼數等於 2N，其中 N 是位數。例如，4 位轉換器具有 24 或 16 個單獨的可用代碼（圖 6）。

模擬基礎知識：SAR 模數轉換器

繪製圖像

SAR ADC 的吞吐率包括采集時間和轉換時間，以讓 Analog Devices 的 AD4020BCPZ-RL7 在 20 位分辨率下的吞吐率高達 1.8 MSPS。利用 AD4020BCPZ-RL7 吞吐速度，可以獲取多個快照並創建用於機器自動化和醫療設備的數字圖片渲染解決方案。

總結

從過程控製到醫療和消費類應用，SAR ADC 憑借獲取信號快照的能力及不斷提高的分辨率和速度，持續證明其價值。目前的 SAR ADC 具有 8 到 20 位的分辨率，吞吐率高達 15 MSPS。Analog Devices 的 AD4020BCPZ-RL 就是一個例子，其具有低噪聲、高速、20 位、1.8 MSPS 的精度。但是，SAR ADC 轉換器架構的發展還未結束。未來還會有更多產品。

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